13.8m 高速船可調螺距槳推進方式的研究

馬衛澤,唐小光

（武漢勞雷綠灣船舶科技有限公司，湖北 武漢 430083）

小型高速船的推進裝置主要選擇為舷內外機、表面槳和常規定距槳，這三種推進方式在高速船上的應用各有利弊；舷內外機適用于小功率柴油機，高負荷工況和長時間的使用條件下很容易產生各種問題，后期的維護也不方便；表面槳在空載和滿載工況下的推進效率無法兼顧，且低速和倒車的效率在使用體驗上不佳，常規定距槳雖然能夠兼顧空載和滿載的使用工況，但其常規的結構形式無法在同等柴油機功率的條件下獲取最大的航速。作為大型遠洋貨輪的主要推進方式，可調距槳的設計考慮到了不同工況的使用環境，通過改變螺距來獲取最佳的推進效率，但因其相對復雜的結構型式和系統配置的限制，很少有小型船舶使用可調槳作為主要的推進方式。針對此問題，本文通過對13.8m 高速收鮮船設計了一種結構型式更簡單，使用更方便的可調螺槳，并對相同直徑，不同螺距的槳葉進行水動力數據分析，驗證了可調距槳葉能夠應用于小型高速貨船。

1 高速推進裝置效率對比

為了更直觀的看到各類型高速推進器的工作效率和應用范圍，通過查閱各種資料對噴泵、大側斜槳、表面槳、常規槳以及可調距槳五種高速推進裝置的應用速度范圍和推進效率集中制作了一個對比曲線(圖1），通過此對比曲線可了解到各裝置的特性及應用范圍。

圖1 各類型推進裝置效率對比曲線

1.1 實船設計參數

表1 主要設計參數

1.2 實船阻力曲線及航速預報

表2 實船阻力值

高速艇在設計初期都需對其最高航速進行預估，通常利用傳統經驗公式對其進行預估，如下：

式中，Vs為航速，kn；Ne為主機總功率，kW；為艇的設計排水量，t。

計算所得，其最高航速Vs=39.8kn。

1.3 常規槳葉設計及試驗

通過上述航速預報，結合相關螺旋槳的設計公式，計算所得該高速收鮮船應用常規螺旋槳推進裝置的設計數值為：直徑545mm，螺距635mm，盤面比0.85，4 葉槳，并利用相關軟件對此槳葉進行了基礎的水動力數據分析，所得結果如下（圖2）所示：

圖2 常規槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖

通過上述計算曲線可知，該船在進速系數J=0.97時，常規固定槳葉的推進效率η 最大為0.69，換算可得該船的實際最航速為V=27.4kn，與經驗公式估算的最高V=39.8kn 有著很大的差距，后續根據計算所得的數據制作了一對槳葉，安裝于實船后進行試航試驗，最終所得滿載最高航速為28kn，空載航速為30kn，試驗結果與理論經驗計算結果差距較大，但與軟件分析的最大航速誤差范圍較小。

1.4 表面槳設計及試驗

關于該船表面槳槳葉的設計現階段主要采用圖譜設計法。首先設定一個航速VS，用不同直徑系列的槳葉直徑Di，計算槳葉的進速系數J 和系，利用Rose 圖譜（圖3）計算得出相應的螺距比和效率η，利用公式得出，進而求得槳葉發出的推力,通過計算所得的推力與實船的阻力曲線進行對比，進而選出合適的槳葉尺寸。通過上述公式計算所得該船在滿載工況下表面槳槳葉最佳直徑D=610mm，螺距P=813mm，盤面比0.86。

圖3 30%浸沒面積下J 和η-圖譜曲線

根據以上數據加工一對表面槳葉進行實船試驗，滿載工況下該船的最高航速為28-30kn，空載工況下最高航速為38kn。

1.5 問題分析

通過上述常規槳葉與表面槳的設計與試驗數據分析，常規槳在滿載工況和空載工況下主機都能夠承受相應的負荷，但實際航速和預估航速有著很大的誤差，使用表面槳的空載最高航速和理論預報航速的誤差較小，但在滿載低速航行工況下的效率很低。

不論是常規定距槳還是表面槳，槳葉的設計都只是針對其一個航速工況條件來進行設計，無法兼顧滿載和空載狀態下最大的效率。而對收鮮船這種裝載負荷變化較大的船型，因考慮其大部分時間所處在的負荷工況來進行針對性的設計，現就根據收鮮船兩種負荷工況，設計兩只不同尺寸的槳葉，對這兩只槳葉進行水動力數據分析。

2 可調螺距槳葉分析

槳葉周圍的流體循環通常是一個難以觀察到的物理性質聯系起來的概念。對于螺旋槳分析的目的，可以看作是一個數學系統，使用渦流作為一個簡單的數值模型，以適當地解決槳葉在運動過程中產生的力量和速度。根據相關資料，適應尾流的槳葉最佳環量徑向分布由下式所得：

2.1 空載設計點槳葉

收鮮船在進行收集新鮮漁獲時，從港口出發需要以最快的航速到達目的地，此時船沒有載貨，排水量輕，主機和螺旋槳所承受的載荷較小，這種工況下，槳葉直徑相對較小，螺距較大，以此來最大化吸收主機輸出的功率載荷，發出更大的推力，使船達到最高航速。

根據相關計算文件對此工況下的最佳螺旋槳葉數據進行計算所得為：以空載重量為設計點的槳葉尺寸為：直徑D=545mm，螺距P=775mm，盤面比0.85。

通過對KT，KQ和η 的數值分析，各項數值在相應進速下的趨勢如下所示：

圖4 D=545,P=775 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖

圖5 D=545,P=630 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖

2.2 滿載設計點槳葉

收鮮船在收集完新鮮漁獲后，整船排水量增加，以滿載重量為設計點的槳葉尺寸為直徑D=565mm，螺距P=630mm，盤面比0.79。通過對KT，KQ和η 的數值分析，各項數值在相應進速下的趨勢如下所示：

圖6 D=565,P=775 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖

圖7 D=565,P=630 槳葉J 與KT、KQ、η 曲線對比圖

2.3 槳葉螺距變更分析

表3 槳葉數值對比表

根據上述計算曲線及數值對比顯示了槳葉在直徑變動不大的情況下，通過調整其螺距可實現槳葉效率的提升。

3 結論

根據對常規固定螺距、表面槳和可調距槳的數據計算和試驗分析，可調螺距的槳葉設計在漁業高速船舶的應用有著廣泛的前景，可調螺距的槳葉能夠很好的兼顧空載和滿載兩種負荷工況下的推進效率，根據載荷工況條件的不同，航行過程中調整螺距來適應主機的輸出功率，以此達到效率的最大化。

可調距槳葉的設計需根據船舶的具體使用工況分布，有針對性的進行設計。